VIVO Fiziopatologie

substanțe dizolvate

Osmoza, tonicitatea și presiunea hidrostatică

Cantități mari de molecule de apă se mișcă în mod constant peste membranele celulare prin difuzie simplă, adesea facilitată de mișcarea prin proteinele de membrană, inclusiv acvaporine. În general, mișcarea netă a apei în sau în afara celulelor este neglijabilă. De exemplu, s-a estimat că o cantitate de apă echivalentă cu aproximativ 100 de ori volumul celulei difuzează pe membrana globulelor roșii din sânge în fiecare secundă; celula nu pierde sau câștigă apă deoarece cantități egale intră și ies.

Există, însă, multe cazuri în care fluxul net de apă are loc pe membranele celulare și pe foile de celule. Un exemplu de mare importanță pentru dvs. este secreția și absorbția apei din intestinul subțire. În astfel de situații, apa se mișcă încă prin membrane prin difuzie simplă, dar procesul este suficient de important pentru a garanta un nume distinct - osmoza.

Osmoza și mișcarea netă a apei

Osmoza este mișcarea netă a apei pe o membrană permeabilă selectiv condusă de o diferență a concentrațiilor de solut pe cele două părți ale membranei. O membrană permițăbil selectiv este una care permite trecerea nerestricționată a apei, dar nu molecule sau ioni soluti.

Diferite concentrații de molecule de solut duc la concentrații diferite de molecule de apă liberă de ambele părți ale membranei. Pe partea membranei cu o concentrație mai mare de apă liberă (adică o concentrație mai mică de substanță dizolvată), mai multe molecule de apă vor lovi porii din membrană într-un interval de timp. Mai multe lovituri echivalează cu mai multe molecule care trec prin pori, ceea ce duce la difuzia netă a apei din compartiment cu concentrație mare de apă liberă la cea cu concentrație scăzută de apă liberă.

Cheia de reținut despre osmoză este că apa curge din soluție cu concentrația mai mică de substanță dizolvată în soluția cu concentrație mai mare de substanță dizolvată. Aceasta înseamnă că apa curge ca răspuns la diferențele de molaritate dintr-o membrană. Mărimea particulelor dizolvate nu influențează osmoza. Echilibrul este atins odată ce s-a deplasat suficientă apă pentru a egaliza concentrația solutului de pe ambele părți ale membranei și, în acel moment, curgerea netă a apei încetează. Iată un exemplu simplu pentru a ilustra aceste principii:

Două recipiente de volum egal sunt separate de o membrană care permite trecerea liberă a apei, dar restricționează total trecerea moleculelor de solut. Soluția A are 3 molecule de proteină albumină (greutate moleculară 66.000), iar soluția B conține 15 molecule de glucoză (greutate moleculară 180). În ce compartiment va curge apa sau nu va exista nicio mișcare netă a apei? [Răspuns]

Sunt furnizate exemple suplimentare cu privire la modul de determinare a direcției în care va curge apa în diferite circumstanțe.

Tonicitate

Când ne gândim la osmoză, comparăm întotdeauna concentrațiile de solut între două soluții, iar unele terminologii standard sunt utilizate în mod obișnuit pentru a descrie aceste diferențe:

  • Izotonic: Soluțiile comparate au o concentrație egală de substanțe dizolvate.
  • Hipertonic: Soluția cu concentrația mai mare de substanțe dizolvate.
  • Hipotonic: Soluția cu concentrația mai mică de substanțe dizolvate.

În exemplele de mai sus, Soluțiile A și B sunt izotonice (între ele), Soluțiile A și B sunt ambele hipertonice în comparație cu Soluția C, iar Soluția C este hipotonă în raport cu Soluțiile A și B.

Difuzia apei pe o membrană generează o presiune numită presiune osmotică. Dacă presiunea din compartimentul în care curge apa este ridicată la echivalentul presiunii osmotice, mișcarea apei se va opri. Această presiune se numește adesea presiune hidrostatică („oprirea apei”). Termenul de osmolaritate este folosit pentru a descrie numărul de particule dizolvate dintr-un volum de fluid. Osmolii sunt utilizați pentru a descrie concentrația în termeni de număr de particule - o soluție 1 osmolară conține 1 mol de particule active din punct de vedere osmotic (molecule și ioni) pe litru.

Demonstrația clasică a osmozei și a presiunii osmotice este de a scufunda celulele roșii din sânge în soluții de osmolaritate variabilă și de a urmări ce se întâmplă. Serul sanguin este izotonic în ceea ce privește citoplasma, iar celulele roșii din acea soluție își asumă forma unui disc biconcav. Pentru a pregăti imaginile prezentate mai jos, celulele roșii de la autorul tău curajos au fost suspendate în trei tipuri de soluții:

  • Izotonic - celulele au fost diluate în ser: Rețineți forma frumoasă biconcavă a celulelor pe măsură ce circulă în sânge.
  • Hipotonic - celulele din ser au fost diluate în apă: la 200 miliosmoli (mOs), celulele sunt vizibil umflate și și-au pierdut forma biconcave, iar la 100 mOs, cele mai multe s-au umflat atât de mult încât s-au rupt, lăsând ceea ce se numește roșu fantome ale celulelor sanguine. Într-o soluție hipotonică, apa se precipită în celule.
  • Hipertonic - O soluție concentrată de NaCI a fost amestecată cu celulele și serul pentru a crește osmolaritatea: la 400 mOs și mai ales la 500 mOs, apa a scurs din celule, provocându-le prăbușirea și asumarea aspectului spiky pe care îl vedeți.

Preziceți ce s-ar întâmpla dacă ați amesteca suficientă apă cu proba de 500 mOs prezentată mai sus pentru a-i reduce osmolaritatea la aproximativ 300 mOs.

Calculul presiunii osmotice și hidrostatice

Fluxul de apă peste o membrană ca răspuns la diferite concentrații de substanțe dizolvate de pe ambele părți - osmoza - generează o presiune pe membrană numită presiune osmotică. Presiunea osmotică este definită ca presiunea hidrostatică necesară pentru a opri fluxul de apă și, prin urmare, presiunile osmotice și hidrostatice sunt, din toate punctele de vedere, echivalente. Membrana la care se face referire aici poate fi un strat stratificat lipidic, o membrană plasmatică sau un strat de celule.

Presiunea osmotică P a unei soluții diluate este aproximată prin următoarele:

P = RT (C1 + C2 + . + Cn)

unde R este constanta gazului (0,082 litri-atmosferă/grad-mol), T este temperatura absolută și C1. Cn sunt concentrațiile molare ale tuturor substanțelor dizolvate (ioni și molecule).

În mod similar, presiunea osmotică a membranei care separă două soluții este:

unde ΔC este diferența de concentrație a solutului între cele două soluții. Astfel, dacă membrana este permeabilă la apă și nu la substanțe dizolvate, presiunea osmotică este proporțională cu diferența de concentrație a substanței dizolvate pe membrană (factorul de proporționalitate este RT).